楊 松 黃劍峰 羅茂泉 馬澤慧 王 磊 吳玉琴

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院， 昆明 650201)

斥水性砂土水-氣形態(tài)及其對斥水-親水轉(zhuǎn)化的影響分析

楊 松 黃劍峰 羅茂泉 馬澤慧 王 磊 吳玉琴

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院， 昆明 650201)

處于地球表面的土壤，尤其是耕作層土壤，受外界因素影響其接觸角可能會發(fā)生改變。通過試驗對不同接觸角的壤質(zhì)砂土中的孔隙水-氣形態(tài)分布狀況進(jìn)行研究，試驗結(jié)果表明：砂土顆粒與孔隙水間的接觸角增大會使表層土壤中水封閉土層厚度減小，但接觸角增大到一定值后，水封閉層的厚度不再發(fā)生變化。隨著接觸角的增大，氣封閉層的厚度不斷減小。與連續(xù)固體表面不同，砂土顆粒的接觸角小于90°甚至降低至36°也會出現(xiàn)明顯的斥水現(xiàn)象，但隨著砂土中飽和度的增大，斥水現(xiàn)象會消失，砂土斥水與親水轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的飽和度與水封閉向雙開敞轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的飽和度基本一致，因此，砂土親水與斥水轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的臨界含水率與孔隙水氣分布形態(tài)密切相關(guān)，通過理想模型對兩種不同水-氣形態(tài)下土壤的基質(zhì)吸力變化分析可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因為當(dāng)土壤由水封閉變?yōu)殡p開敞時，水-氣交界面在液體側(cè)的曲率中心消失(接觸角小于90°)，氣-液界面引起的基質(zhì)吸力恒為“正”。

孔隙水-氣形態(tài)； 土壤斥水性； 接觸角； 顆粒模型； 孔隙模型

引言

隨著深度的增加，地表土壤層中的水分不斷增多，呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。根據(jù)非飽和土壤中的水-氣形態(tài)可以分為3類[1]：水封閉非飽和土、雙開敞非飽和土和氣封閉非飽和土。當(dāng)土壤處于氣封閉狀態(tài)時，水-氣界面沒有與固體表面相交，此時氣相為封閉氣泡，只有液相連續(xù)，通常將其視為飽和土壤[2]；隨著土壤含水率不斷降低，氣相和液相分別連續(xù)，此時土壤為雙開敞狀態(tài)；如果土壤含水率進(jìn)一步降低，孔隙水被氣相隔離封閉，土壤進(jìn)入水封閉狀態(tài)。

斥水性土壤是指水分不能或者很難濕潤土顆粒表面的土壤，即：土顆粒與孔隙水間的接觸角較大。處于地表的耕作層土壤，受外界因素影響其接觸角可能會發(fā)生改變，如：表層土壤含有機(jī)物、森林火災(zāi)、再生水灌溉等[3-6]。當(dāng)土顆粒與孔隙水的接觸角增大，土壤可能變?yōu)槌馑?。斥水性土壤由于降低了土壤的滲透性從而對耕作層土壤的土水特性有重要影響[7]。斥水性土壤增加了地表徑流，加快土壤侵蝕，還可能降低種子的發(fā)芽率和阻礙作物的生長[8]。影響土壤斥水性的因素很多，含水率是其中一個重要因素[9]。當(dāng)含水率不斷增大，土壤可能由斥水變?yōu)橛H水，此時對應(yīng)的含水率為臨界含水率。其機(jī)理被解釋為：土壤中水分增加溶解了土壤中造成斥水的有機(jī)物成分[10]。然而，對于斥水成分穩(wěn)定的土壤也會出現(xiàn)臨界含水率的現(xiàn)象，其機(jī)理目前還不清楚。

通過理想顆粒模型或孔隙模型可以從微觀角度對土壤中的三相界面特性及毛細(xì)力展開研究，從而對土壤的土水特性有更深刻的認(rèn)識。欒茂田等[11]以理想球體顆粒模型為基礎(chǔ)，考慮張力吸力的影響，在雙開敞基礎(chǔ)上進(jìn)一步把非飽和土劃分為搭接雙開敞和不搭接雙開敞兩種狀態(tài)。張昭等[12-13]利用不等直徑的球體顆粒模型對非飽和土的水力特性及毛細(xì)力的演化規(guī)律進(jìn)行了深入探討。一般情況下，球體顆粒模型更適用于比表面積較小的壤質(zhì)砂土，采用片狀顆粒模型模擬黏土更為恰當(dāng)[14]。另外，還可以用理想孔隙模型對土壤的土水特性展開研究，很多土水特征曲線模型都是在圓柱形孔隙模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)的[15-16]，有學(xué)者則通過建立正弦型孔隙模型對土壤中的水分遷移特性展開研究[17-18]。用于描述兩類模型的方程組都涉及到接觸角，因此兩類模型都可以反映土壤的斥水性，然而，兩類模型所對應(yīng)的水-氣形態(tài)是不同的。

本文對具有穩(wěn)定斥水性的壤質(zhì)砂土中孔隙水-氣形態(tài)展開研究，在試驗基礎(chǔ)上分析斥水性砂土臨界含水率所對應(yīng)的孔隙水-氣形態(tài)，并據(jù)此分析理想顆粒模型和孔隙模型的適用性，最后通過理想模型對砂土斥水-親水隨含水率變化的原因進(jìn)行解釋。為進(jìn)一步認(rèn)清土壤斥水-親水的轉(zhuǎn)化機(jī)理提出一種思路。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自云南省昆明市團(tuán)結(jié)鄉(xiāng)某風(fēng)化土坡，土壤的基本物理性質(zhì)如表1所示，土樣經(jīng)過風(fēng)干碾碎后過2 mm篩，采用混合法改變砂土的表觀接觸角，在砂土中加入不同量的斥水劑(十八胺：C18H39N，白色蠟狀粉末)并混合均勻(由于十八胺不溶于水，所以配出的土樣具有穩(wěn)定的斥水性)，準(zhǔn)備5種風(fēng)干砂土試樣，十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%，分別編號為S1、S2、S3、S4、S5。

表1 土樣的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of test samples

1.2 接觸角測量試驗

采用躺滴法對土顆粒接觸角進(jìn)行測量。待測土樣過0.5 mm篩，取長度為4 cm左右的雙面膠帶貼到載玻片上，將篩好的土顆粒均勻覆蓋載玻片，并用200 g砝碼壓住載玻片，持續(xù)時間為2 min，移開砝碼后反復(fù)輕輕磕碰載玻片以去除多余的土顆粒，直到膠帶表面覆蓋有一層薄薄的土顆粒，且土顆粒分布均勻無明顯凸起。接觸角測量試驗在JC2000型接觸角測量儀上進(jìn)行，由于水滴能在S1樣制成的壓片上迅速攤開，因此認(rèn)為此時的接觸角為0°，其余4種試樣的接觸角測量結(jié)果如圖1所示，S2、S3、S4、S5接觸角分別為36°、57°、70°、77°。

圖1 S2、S3、S4、S5的接觸角Fig.1 Contact angles of samples S2, S3, S4 and S5

1.3 確定孔隙水-氣狀態(tài)的試驗過程

文獻(xiàn)[1]給出了確定砂土孔隙水-氣形態(tài)的試驗方法，本文在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，具體操作步驟如下：

(1)準(zhǔn)備5根長度為1 m，內(nèi)徑為5 cm的透明玻璃管。玻璃管底部用濾紙封堵，將5種不同斥水度的砂土分別裝入不同玻璃管內(nèi)，每10 cm裝入314 g砂樣，振搗后使其干密度為1.6 g/cm3左右，直至裝滿玻璃管，如圖2所示。

圖2 試驗裝置Fig.2 Test devices

(2)先把裝滿砂樣的玻璃管豎直放入盛滿蒸餾水的容器中，從玻璃管頂部注蒸餾水(由于混有十八胺砂土的接觸角較大，需要施加一定的初始水頭促使水下滲)，待整根玻璃管頂部有水漫出后停止注水，靜止10 min后再繼續(xù)注水，如此反復(fù)3次。把玻璃管從容器中移出，在玻璃管底部用充分吸水的海綿保濕，套上塑料膜防止水分蒸發(fā)，保持玻璃管底部的砂土處于飽和狀態(tài)。

(3)試樣在室內(nèi)靜置12 h，把1 m長的玻璃管分成50小段，每段2 cm，每段取適當(dāng)土樣放入鋁盒干燥、稱量，測其含水率并計算相應(yīng)的飽和度。

1.4 滴水入滲試驗

通過滴水入滲試驗確定水滴入滲時間可以評價土壤的斥水性，其操作步驟如下：

(1)S2、S3、S4、S5每種土樣配制24個不同含水率，分別為：3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、…、14.0%、14.5%，密封靜置24 h后制成干密度為1.6 g/cm3鋁盒試樣。

(2)如圖3所示，試樣表面保持平整，為延長液滴的蒸發(fā)時間，試驗時的相對濕度保持在90%以上。用注液器把體積為0.02 mL的蒸餾水滴到試樣表面，用秒表記錄液滴完全滲透進(jìn)試樣內(nèi)所用的時間。試樣表面不同部位進(jìn)行7次滴水入滲試驗，將7滴水的入滲時間去掉最大值和最小值后求出的算術(shù)平均值為每個試樣的最終測定結(jié)果，取5 s作為斥水和不斥水的分界點[4]。

圖3 滴水入滲試驗Fig.3 Test of water drop penetration

2 試驗結(jié)果

2.1 水-氣形態(tài)隨土層深度變化

從地表面到潛水面，土層飽和度(含水率)的變化規(guī)律如圖4a所示[19]，在這個區(qū)域內(nèi)(包氣帶)，飽和度隨土層深度變化關(guān)系曲線可以分為3個階段，這3個階段分別對應(yīng)非飽和土的3種水-氣形態(tài)，在曲線上部，隨著土層深度增加，含水率基本沒有變化，此時的非飽和土處于水封閉狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的土層深度后，土中的水-氣形態(tài)將由水封閉轉(zhuǎn)變?yōu)殡p開敞，在整個雙開敞區(qū)域內(nèi)，隨著土層深度的增加，土壤的飽和度不斷增大。到達(dá)曲線下部后，土壤進(jìn)入氣封閉狀態(tài)，趨于飽和，隨著深度的增加飽和度基本不變。

試驗得到的曲線與示意圖基本一致，但土顆粒的接觸角不同，土中水-氣形態(tài)轉(zhuǎn)化的分界點位置可能會發(fā)生改變。如圖4b～4f所示，親水土樣S1中，水封閉狀態(tài)轉(zhuǎn)化為雙開敞的分界點A位于深度為28 cm左右的土層中，對應(yīng)的飽和度為36%，當(dāng)土顆粒的接觸角增大，S2、S3樣的分界點A深度為24 cm和20 cm左右，相應(yīng)的飽和度減小為32%和27%。土顆粒的接觸角進(jìn)一步增大，S4、S5樣中，水-氣形態(tài)轉(zhuǎn)化的分界點A位置則維持在深度為20 cm的土層中，飽和度也保持在20%左右。接觸角的增大會使水封閉土層厚度減小，但接觸角增大到一定值后，水封閉土層的厚度就基本保持不變。分界點A處的飽和度隨接觸角的增大而減小，接觸角增大到一定值后，分界點A處的飽和度不受接觸角的影響。

當(dāng)試樣中孔隙水-氣形態(tài)由雙開敞轉(zhuǎn)化為氣封閉時，5個試樣在分界點B處的飽和度基本都保持在90%～92%，相應(yīng)的S1、S2、S3、S4、S5試樣轉(zhuǎn)化點所在的土層深度分別為82、84、88、94、96 cm。由此可見，接觸角對試樣雙開敞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅夥忾]狀態(tài)時的飽和度影響不大，但隨著接觸角的增大，氣封閉層的厚度不斷減小。

圖4 飽和度隨土層深度的變化曲線Fig.4 Changing curves of saturation with soil depth

2.2 滴水入滲時間隨飽和度變化

當(dāng)水滴滴到親水土樣S1表面時，無論土樣的飽和度如何變化，水滴都會迅速入滲，入滲時間趨近于零。其余土樣(S2～S5)，由于接觸角較大，水滴落到土樣表面后并不會立刻入滲，其入滲時間與飽和度的關(guān)系如圖5所示，土壤處于風(fēng)干狀態(tài)時(Srlt;5%)，水滴在土樣表面直至蒸發(fā)結(jié)束后也不入滲，土壤表現(xiàn)出了劇烈的斥水性。隨著飽和度的增大，4種土樣表面水滴的入滲時間不斷減小。S2樣在飽和度增加到28%左右，水滴入滲時間縮短到5 s以內(nèi)；S3、S4、S5樣在飽和度為20%～25%之間時，水滴入滲時間縮短到5 s以內(nèi)。對比前面的孔隙水-氣形態(tài)確定試驗可以發(fā)現(xiàn)，土樣斥水與親水轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的飽和度與其水封閉向雙開敞轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的飽和度基本一致。

圖5 滴水入滲時間T隨飽和度Sr變化曲線Fig.5 Changing curves of water penetration time with saturation

3 討論

3.1 土壤的斥水性與接觸角

通常情況下認(rèn)為，固體表面的接觸角大于90°為斥水，小于90°為親水。然而，通過滴水入滲試驗可以看出，土樣S2、S3、S4、S5的接觸角小于90°仍然出現(xiàn)了明顯的斥水現(xiàn)象，特別是S2，其接觸角僅為36°，斥水現(xiàn)象依然很明顯。其實，土壤的斥水和親水并不是以90°為分界點，SHIRTCLIFFE等[20]從能量的角度證明了等直徑球體顆粒親水與斥水轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的接觸角小于90°。LIKOS等[21]和YANG等[22]通過等直徑球體顆粒模型計算的結(jié)果表明：球體顆粒間可能在接觸角小于40°時就發(fā)生斥水現(xiàn)象，這與本文試驗結(jié)果是一致的。除接觸角外，土顆粒的幾何形態(tài)對土壤親水和斥水性質(zhì)也有重要影響，在斥水性砂土中加入黏土顆粒可以明顯改善土壤的斥水性[23]。

滴水入滲試驗結(jié)果表明：隨著含水率的增大，土壤的斥水性會減小甚至消失。一般情況下，天然土壤隨著深度的增加，含水率是不斷增大的，直到進(jìn)入飽和區(qū)。因此，孔隙水與土顆粒的接觸角主要對水封閉和雙開敞狀態(tài)下的非飽和土產(chǎn)生影響，特別是處于水封閉狀態(tài)下的土層，可能存在基質(zhì)吸力消失的情況。

3.2 斥水性土壤中的保水性

斥水性土壤帶來負(fù)面影響的同時，也有其有益的一面。如：土壤斥水性可以增強土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，保持土壤中的有機(jī)碳含量[24-25]。很顯然，當(dāng)土壤處于水封閉狀態(tài)時含水率要低于雙開敞狀態(tài)。通過前面的試驗可知，親水性土壤表層水封閉土層的厚度要明顯大于斥水性土壤。這表明，雖然斥水性土壤阻止了地表水的入滲，但同時也能很好地保持土壤中的原有含水率，減少土壤水分的蒸發(fā)量，這也可以視為斥水性土壤的有益面。

3.3 顆粒模型與孔隙模型

各種理想模型為土壤中基質(zhì)吸力計算及水分遷移分析提供了方便，然而各模型的適用范圍至今也沒有明確的限定。就模型的幾何形態(tài)而言，球體顆粒模型(圖6a)更適合比表面積較小的砂土或粉土，片狀顆粒模型(圖6b)則更符合黏土顆粒的特性，由于模型中土顆粒由液橋連接，所以兩種模型應(yīng)該對應(yīng)于水封閉狀態(tài)。孔隙模型(圖6c、6d)適合于各種類型的土壤，然而其幾何形態(tài)對應(yīng)于雙開敞狀態(tài)更為恰當(dāng)。

圖6 理想顆粒模型與孔隙模型Fig.6 Ideal particle models and pore models

現(xiàn)有文獻(xiàn)中并沒有嚴(yán)格按照孔隙水-氣形態(tài)來選擇模型，通過理想球體顆粒模型和孔隙模型建立的土水特征曲線都能得到試驗的驗證。當(dāng)然，前提是假設(shè)土顆粒與孔隙水接觸角很小或者直接假設(shè)為零。當(dāng)接觸角較大時，通過前面的試驗可知：土壤在水封閉狀態(tài)為斥水，基質(zhì)吸力為零，而隨著含水率的增大，土壤進(jìn)入雙開敞狀態(tài)，此時基質(zhì)吸力又會出現(xiàn)。當(dāng)土顆粒與孔隙水的接觸角較大時，需要根據(jù)不同的水-氣形態(tài)選擇相適應(yīng)的模型。

3.4 斥水性土壤的臨界含水率

由土水特性曲線可知，含水率越小土壤的基質(zhì)吸力越大。然而，當(dāng)土壤斥水性增大時，即使含水率很小，基質(zhì)吸力也可能很小甚至消失。即：土壤中不存在負(fù)的孔隙水壓力。因此，可以通過計算基質(zhì)吸力來反映“吸引”與“排斥”[26]。本文試驗用土為比表面積較小的壤質(zhì)砂土，當(dāng)其處于水封閉狀態(tài)時用顆粒模型描述更為恰當(dāng)，取土顆粒間的液橋作為研究對象，如圖7a所示，由Young-Laplace方程可知，基質(zhì)吸力φ為

(1)

式中γ——液體的表面張力

r1、r2——任意一對相互垂直的平面在液面上所截取曲線的曲率半徑

當(dāng)曲率中心在液體側(cè)時r1、r2為“負(fù)”，反之為“正”。設(shè)φ為“正”時表示吸引、親水，φ為“負(fù)”時表示排斥、斥水。接觸角越小，則r1越小，φ越大，土壤的親水性就越好。當(dāng)接觸角增大后，r1迅速增大，而r2仍然維持在較小值，此時φ為負(fù)，土壤是斥水的，且接觸角越大斥水性越強，但基質(zhì)吸力由正變負(fù)所對應(yīng)的接觸角顯然小于90°。

圖7 不同水-氣狀態(tài)下的孔隙水Fig.7 Pore water with different pore water-air configurations

土壤中的含水率增大，土中水-氣形態(tài)將由水封閉變?yōu)殡p開敞，此時應(yīng)當(dāng)選用毛細(xì)管模型，雙開敞中的孔隙水形態(tài)如圖7b所示。基質(zhì)吸力φ為

(2)

式中r3——毛細(xì)管半徑

此時水-氣交界面嚴(yán)格遵循表面力學(xué)中的定義，接觸角小于90°親水，接觸角大于90°斥水，因為當(dāng)接觸角小于90°時，彎液面的任意曲率中心都是在空氣一側(cè)，φ為“正”。當(dāng)接觸角大于90°，彎液面的任意曲率中心都是在液體一側(cè)，因此φ為“負(fù)”。

由此可見，當(dāng)斥水性土壤由水封閉變?yōu)殡p開敞時，土壤隨之由斥水變?yōu)橛H水，這是因為在此過程中水-氣交界面在液體側(cè)的曲率中心消失(接觸角小于90°)，氣-液界面引起的基質(zhì)吸力恒為“正”。當(dāng)然，這種解釋只適用于固-液接觸角不變的情況。

4 結(jié)論

(1)非飽和砂土中土顆粒與孔隙水的接觸角增大會使包氣帶中水封閉土層厚度減小，但接觸角增大到一定值后，水封閉土層的厚度就基本保持不變。接觸角對試樣雙開敞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅夥忾]狀態(tài)時的飽和度影響不大，但隨著接觸角的增大，氣封閉層的厚度不斷減小。

(2)非飽和砂土中接觸角小于90°甚至降低至36°也會出現(xiàn)明顯的斥水現(xiàn)象，但隨著砂土中飽和度的增大，砂土的斥水性消失，斥水與親水轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的飽和度與水封閉向雙開敞轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的飽和度基本相同。

(3)采用理想模型對土壤的微觀特性進(jìn)行研究時，如果非飽和砂土中接觸角較大，需要根據(jù)土壤中不同的水-氣形態(tài)選擇相應(yīng)的理想模型。

(4)土壤由斥水向親水轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的飽和度與水封閉向雙開敞對應(yīng)的飽和度基本一致，通過理想模型對兩種不同狀態(tài)下土壤的基質(zhì)吸力變化分析可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因為當(dāng)土壤由水封閉變?yōu)殡p開敞時，水-氣交界面在液體側(cè)的曲率中心消失(接觸角小于90°)，氣-液界面引起的基質(zhì)吸力恒為“正”。

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PoreWater-AirConfigurationsinWaterRepellentSandySoilandItsEffectsonTransformationofHydrophilicitytoHydrophobicity

YANG Song HUANG Jianfeng LUO Maoquan MA Zehui WANG Lei WU Yuqin

(CollegeofWaterConservancy,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China)

The earth surface soil, especially cultivated soil, contact angles of soil may be changed by external factors. Hydrophilic soil will translate into hydrophobic soil because of the bigger contact angle. Repellent soil will bring a series of agricultural and environmental problems. To develop the study to the pore water-air shape distribution in different contact angle soils, some tests were carried out. The experimental results showed that the increase of contact angles between soil particles and pore water can make the thickness of the closed-water soil layer reduced. When the contact angle was increased to a certain value, the closed-water soil layer thickness would remain unchanged. With the increase of the contact angle, the thickness of closed-air layer was reduced. It was different from the continuous solid surface, the contact angel of soil granule was less than 90°, even reduced to 36°, it would also appear the water-repellent phenomenon obviously, but with the increase of the saturation degree in the sand, the water-repellent phenomenon would disappear. The corresponding saturation of water repellent and hydrophilic conversion was basically consistent with the corresponding saturation of closed-water system and bi-opened system transformation. Therefore, the critical water content of hydrophilicity to hydrophobicity was closely related to pore water-air configurations. The matric suction in different pore water-air configurations was analyzed with ideal models, the causes of this phenomenon was the disappearance of water-air surface centers of curvature in water side (contact angle was less than 90°), the matric suction caused by water-air surface was greater than zero. The results suggested that it was not enough to focus on chemical property of soil water repellency, the mechanics of interface was also an important aspect of repellent soil study.

pore water-air configurations; soil water repellency; contact angle; particle models; pore models

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.030

S152.7

A

1000-1298(2017)11-0247-06

2017-02-10

2017-05-19

國家自然科學(xué)基金項目(41662021、51209182)

楊松(1982—)，男，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程研究，E-mail： yscliff007@126.com